Переходы тел в свет и света в тела подчиняются законам Природы, которая, как кажется, забавляется этими превращениями. Исаак Ньютон
Тихого океана и замечательные красные зори в конце 1883 и в начале 1884 года, наблюдавшиеся по всей земле. Владимир Обручев
Свет, падающий на тело, разделяется на две части, из которых одна отражается от его поверхности (рассеивается)… Джон Тиндаль
Если значение слова «свет» понимать более широко (а есть все основания подразумевать под ним также все разнообразные виды излучений…), тогда свет можно рассматривать как мощное средство передачи из одного места вселенной в другое… энергии… Уильям Генри Брэгг
Интенсивность рассеянного света пропорциональна четвертой степени частоты световой волны или обратно пропорциональна четвертой степени длины волны. Джон Уильям Рэлей
Этот пепел, долго плавающий в атмосфере, обусловил синеватый цвет солнца и луны в Африке и на островах
…голубой свет рассеивается значительно интенсивнее, чем красный свет. И, взглянув на небо, мы видим только изумительную синеву! Ричард Фейнман
А так ли хорошо знакомо вам
?
распространение света
Во-первых, как и было обещано в предыдущем выпуске «Калейдоскопа», мы продолжим обсуждение волновых явлений. Во-вторых, следуя Брэггу, мы распространим понятие «свет» на всевозможные электромагнитные волны, хотя, безусловно, главенствующую роль оставим за видимым светом. Втретьих, аналогично прошлому разу, сосредоточимся прежде всего на процессах рассеяния и поглощения. Оказывается, даже при таком ограничении рамки нашей рубрики не способны вместить и малую толику из всего многообразия вопросов, связанных с всеволновой оптикой. Действительно, мы соприкасаемся с ними в быту и на отдыхе, в медицине и искусстве, в науке и технике. Рассеиваясь и поглощаясь, световые волны пронизывают вокруг все и вся – подбираем ли мы краски для ремонта или для написания картин, пытаемся ли объяснить атмосферные или астрономические явления, выбираем ли посуду для приготовления пищи, ищем ли способы исследования вещества или решаем проблемы передачи информации. Тем не менее, найденные учеными общие закономерности волновых явлений позволяют успешно справиться как с повседневными бытовыми затруднениями, так и с фундаментальными научными препятствиями. А в награду за их преодоление оптика дарит порой такое эстетическое наслаждение и такой эмоциональный подъем, что скрыть их не в силах и выдающиеся рациональные умы. Ну что ж, попробуем рассеянных обратить в тех, кто будет поглощен этой темой.
Вопросы и задачи 1. Почему грязный, в частности покрытый копотью, снег тает быстрее, чем чистый?
- Для чего внутренние стенки оптических приборов покрывают черной краской? 3. Почему блестит начищенный кожаный сапог? 4. Зачем картины, написанные масляными красками, часто покрывают слоем лака? 5. Что лучше рассеивает свет – наждачная или чертежная бумага? 6. Если на лист белой бумаги попадет растительное масло, то она становится прозрачной, так что через нее можно даже прочесть текст, напечатанный с другой стороны листа. Как это объяснить? 7. Почему почва, бумага, дерево, песок кажутся более темными, если они смочены водой? 8. Радиоволны отражаются от металлической крыши зеркально, а свет при отражении от этой же крыши сильно рассеивается. Отчего? 9. Для чего врачи-рентгенологи пользуются при работе перчатками, фартуками и очками, в которые введены соли свинца? 10. Почему электрические лампочки накаливания зачастую окружают матовым плафоном? 11. Как объяснить тот факт, что раскаленная нить накала лампочки имеет красный оттенок при наблюдении через матовую поверхность плафона? 12. Отчего в отсутствие облаков предметы в тени солнца, например на белом снегу, или при наступлении сумерек приобретают голубоватый цвет? 13. Снег белый и непрозрачный, хотя состоит из мелких бесцветных кристалликов льда, а чистая вода прозрачна, однако туман и облака, представляющие собой мелкие капли воды, непрозрачны. Почему? 14. Отчего в мелких местах морская вода нередко приобретает зеленый цвет? 15. Почему на фоне деревьев дым костра кажется
синим, а над верхушками деревьев (на фоне светлого неба) он выглядит желтовато-красным? 16. В парниках температура заметно выше, чем у окружающего воздуха, даже в отсутствие отопления и удобрений. Как это объяснить? 17. Почему в микроволновой печи можно жарить мясо? 18. Какой цвет имеет Земля при наблюдении из космоса и почему? 19. Отчего на Луне небо черное, а на Марсе имеет красноватый оттенок? 20. Почему по мере подъема звезды над горизонтом она становится ярче? 21. Наблюдаются ли сумерки на Луне? 22. На фотографиях Луны рядом с Землей, полученных с борта межпланетных станций, Земля выглядит очень яркой, а Луна – довольно темной. Почему? 23. Отчего радиоастрономы могут проводить наблюдения ночью и днем, а астрономы-оптики – только ночью?
Микроопыт Разотрите несколько кристалликов медного купороса в мелкий порошок. Что произойдет с цветом кристалликов? Почему?
Любопытно, что… …для объяснения голубизны неба уже сотни лет назад выдвигалось немало гипотез. Например, ее трактовали как смешение в определенных долях «света и тьмы», допускали, что частицы воздуха окрашены в голубой цвет либо они люминесцируют под действием солнечного света. Великий поэт Гёте, проявлявший интерес к теории возникновения цветов, раскритиковал Ньютона за то, что и он не дал ответа на этот вопрос. …Тиндаль, обнаружив поглощение инфракрасных лучей углекислым газом, поставил опыт, в котором пропускал эти лучи через трубку, заполняемую выдыхаемым воздухом. Наблюдаемое и в этом случае поглощение стало убедительным оптическим доказательством известного теперь всем факта, что человек выдыхает углекислый газ. …с легкой руки Рэлея долгое время считалось, что рассеяние солнечных лучей происходит на молекулах газов, и только в 1940 году академик Л.И.Мандельштам преодолел это заблуждение, показав, что в действительности рассеивателями являются неоднородности плотности воздуха. …даже сажа и платиновая чернь – наиболее черные из известных красок – не поглощают полностью все падающее на них излучение, рассеивая из него около 1–2%. Самые же лучшие белила рассевают 91% падающего на них света, а свежевыпавший снег – лишь 80%. …при вулканических извержениях и крупных лесных пожарах атмосфера насыщается аэрозолями, состоящими из частиц таких размеров, что на них свет длинноволновой части спектра рассеивается сильнее, чем коротковолновой. При наблюдении сквозь такой аэрозоль Луна и Солнце становятся синими, что и зафиксировал русский геолог В.А.Обручев после катастрофического извержения вулкана Кракатау. …одно из важнейших преимуществ оптоволоконной связи заключается в столь ничтожном затухании сигнала, что расстояние между ретрансляторами может достигать 100–200 километров – многократно больше, чем в обычных проводных линиях. Успехи в технологии изготовления волокон позволили вплотную подойти к теоретическому пределу потерь, обусловленную не дефектами вещества, а рэлеевским рассеянием и поглощением света атомами, из которых состоит волокно. …несколько Нобелевских премий по физике в начале XX века были присуждены за разработку метода рентгеноструктурного анализа, благодаря которому, например, удалось расшифровать строение сложных кристаллов. Сегодня, исследуя рассеянное и поглощенное образцами рентгеновское излучение, можно детально установить химический состав вещества или наблюдать за динамическими изменениями структуры белков. …попытки использовать связь между оптическими и акустическими явлениями предпринимались еще в XIX веке и привели к тому, что в 1880 году независимо в трех разных лабораториях – Белом, Тиндалем и Рентгеном – был открыт фотоакустический эффект, заключавшийся в преобразовании модулированного светового потока в звук. …благодаря лазерам с перестраиваемой частотой стало возможным преобразовывать слабые инфракрасные сигналы в видимый диапазон. Это нашло применение при наблюдении за астрономическими объектами, поскольку чувствительность используемых там фотоприемников в оптическом диапазоне на несколько порядков превышает ее же в инфракрасном диапазоне. …мелкая космическая пыль не только ослабляет доходящий до нас свет звезд, но и меняет их цвет. Сильнее всего пылью поглощаются синие лучи, что приводит к покраснению света, прошедшего через межзвездную среду.
Что читать в «Кванте» о распространении света
(публикации последних лет)
- «Небо синее, Солнце красное» – 2003, № 1, с. 37; 2. «Угол падения равен…» – 2005, № 1, с. 31; 3. «Калейдоскоп «Кванта» – 2005, № 5, с. 32; 4. «Прогулки с физикой» – 2006, Приложение № 6, с. 117, 177; 5. «Радиоволны на земле и в космосе» – 2007, Приложение № 1, с. 61, 127; 6. «Лазер – замечательное достижение XX века» – 2007, № 3, с. 8; 2007, №4, с.2; 7. «Сюрпризы зеленого стекла» – 2007, № 5, с. 10.
Материал подготовил А.Леонович